隧道圍巖襯砌不確定因素分析

李玉鋒

（濟南黃河路橋建設集團有限公司，山東濟南250000）

0 引言

在改革開放初期，受資金、政策因素的限制，我國的國省道公路經常繞山、盤山，高等級公路較少。到了21世紀，特別是最近20年，隨著高速公路的大力發展，隧道工程越來越多[1]。隧道工程可以縮短公路里程，減少占用農田。隨著隧道建設的深入，針對不同的圍巖等級需采取不同的解決方案，初支是隧道建設的關鍵環節，初支需考慮支護時發生的位移、噴射混凝土厚度、混凝土配合比、鋼筋力學性能、鋼筋的保護層厚度等問題，而在隧道施工時，往往需要多重因素統籌考慮，既要滿足控制最小位移，又要滿足噴層厚度等[2]。通過工程實例對隧道圍巖襯砌不確定性因素進行分析，確保隧道開挖后圍巖襯砌的安全。

1 工程概況

某高速公路路線全長26.552km，其中修建隧道一座，隧道長620m。隧道進洞洞口45m 內為松散結構的砂質黏土，全風化及碎裂狀結構花崗巖（五級圍巖45m）；進洞45m 后為180m 的強風化凝灰巖（四級圍巖180m），中間為210m 中風化凝灰巖（三級圍巖210m），此后為120m 的強風化凝灰巖（四級圍巖120m），出洞口為65m 松散結構的砂質黏土（五級圍巖65m）。針對不同的圍巖級別，采取不同的襯砌形式，具體如下：五級圍巖S5 襯砌：在洞口V 類圍巖段采用五級圍巖襯砌，先打設注漿小導管，然后注漿，在漿液凝固后進行弱爆破、短掘進；四級圍巖S4 襯砌：在IV 類圍巖深埋地段采用四級圍巖襯砌，先打超前砂漿錨桿，再進行弱爆破、短掘進；三級圍巖S3 襯砌：在Ⅲ類圍巖深埋段采用三級圍巖襯砌，由于三級圍巖都是穩定的巖石結構，故只需施設A8 鋼筋網片，再進行弱爆破、短掘進[3]。

2 圍巖襯砌的不確定性分析

2.1 拱頂下沉和周邊收斂的不確定性

不同的圍巖結構，采取了不同的襯砌形式，例如，五級圍巖隧道襯砌的初支從內到外依次是：C25 噴砕23cm、A6 鋼筋網、116 工字鋼（縱向間距0.8m)、A6 鋼筋網。在進洞的45m 內，由于隧道上方預留了10cm 的預留變形量，施工人員在襯砌的頂部和山頂監測位移量，結果見表1。通過以上觀測，在隧道開挖后初步襯砌的前7 天，拱頂下沉和周邊均得到有效的收斂。由于不能準確地得知隧道進洞口的前45m 內拱頂下沉和周邊收斂的具體數值，且前45m 屬于五級圍巖，存在部分超挖情況，故存在不確定性。

表1 拱頂下沉和周邊位移監測數值記錄表

2.2 噴層厚度的不確定性

噴層厚度取決于不同等級的圍巖，開挖后需要達到圍巖穩定所需的支護厚度。然而，不同級別的圍巖均存在超挖現象，也決定了噴層厚度的不確定性。由于實際噴層厚度等于設計噴層厚度加上隧道超、欠挖量，下表2 為Ⅲ—V 級圍巖的噴層層厚統計結果。

表2 噴層層厚的統計結果

注：三A 級是介于三級和四級之間，由于三級圍巖能夠依靠巖體的自承能力完成支護，所需的鋼筋較少，而四級圍巖支護依靠工字鋼、錨桿等，三A 級是處于三級偏弱靠近四級圍巖的情況，采取了三級圍巖加強的支護手段。

實際上，國內外在近幾十年都把圍巖分級作為隧道工程技術的重要研究內容之一。不論是哪種等級的圍巖，隧道開挖時普遍超挖，噴層的實際厚度普遍大于設計厚度，故確定噴層厚度時，存在不確定性。

2.3 噴射混凝土材料性能的不確定性

由于噴射混凝土材料采用壓力噴槍灌細石混凝土的施工法，常用于灌注隧道內襯。噴射混凝土采用預先配好的水泥、砂、石子、水和一定數量的外加劑，裝入噴射機，利用高壓空氣將其送到噴頭和速凝劑混合后，以極快的速度噴向巖石或混凝土的表面而形成。

目前，常用的施工工藝是噴射混凝土干拌法和濕拌法，現場施工時考慮到粉塵效應，通常采用濕拌法。將拌好的混凝土通過壓漿泵送至噴嘴，再用壓縮空氣進行噴灌的方法。施工時宜用隨拌隨噴的辦法，以減少稠度變化。此法的噴射速度較低，由于水灰比增大，混凝土的初期強度亦較低，但回彈情況有所改善，材料配合易于控制，工作效率較干拌法較高。

濕拌法不確定因素是稠度變化、水灰比的控制、噴射風壓及速度。如表3所示，以上因素也是控制混凝土抗壓強度的主要因素，施工時需要在實驗室就需要嚴格把控混凝土材料的質量，將不確定性控制在合理區間。

表3 不同等級圍巖的實際抗壓強度影響因素

2.4 鋼筋（含保護層厚度）的不確定性

隧道襯砌的鋼筋多為環向和縱向鋼筋，主要有HPB300 和HRB400 兩種，隧道主要有3 類級別的圍巖，施工人員通過大量的數據表明，鋼筋的力學性能和保護層厚度大致符合正態分布，鋼筋及其保護層厚度統計結果如表4所示。

表4 鋼筋及其保護層厚度統計結果

通過施工人員對現場觀察的數據表明，隧道內的鋼筋及保護層厚度與隧道超挖有關，特別是有些超挖的地段，需要先將多挖的部分填好，這就增加了保護層厚度，從而保證鋼筋有充足的保護層厚度以防止隧道內的水對鋼筋產生銹蝕作用。

3 結語

通過對某公路隧道現場施工的跟蹤，在隧道開挖后，發現隧道圍巖襯砌時存在諸多不確定性因素，主要包括支護位移、噴層厚度、噴層混凝土的材料特性、鋼筋力學性能、鋼筋保護層厚度等，這些不確定性的因素主要是由隧道超挖所引起。因此，在實際施工時，需要考慮開挖后初支所產生的位移是否收斂，噴層厚度是否滿足施工規范；噴層混凝土材料在濕拌工藝下的影響因素；在鋼筋力學性能滿足要求的前提下，鋼筋的保護層厚度應滿足隧洞超挖所帶來的不確定性影響，特別是凈保護層厚度不應小于設計保護層厚度的要求；通過在支護位移、噴層厚度、鋼筋保護層厚度等多方面把控施工質量，做到冗余度控制原則，確保隧道施工質量安全。